JP2015114474A

JP2015114474A - 光学装置

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Publication number: JP2015114474A
Application number: JP2013256109A
Authority: JP
Inventors: 河村　幸則; Yukinori Kawamura; 幸則河村; 範明石河; Noriaki Ishikawa; 鈴木　健; Takeshi Suzuki; 健鈴木; 誠橋爪; Makoto Hashizume; 文紀兵藤; Fumiki Hyodo; 廉士澤田; Yasushi Sawada
Original assignee: Kyushu University NUC; Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Kyushu University NUC; Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2015-06-22
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: JP6274845B2

Abstract

【課題】光学装置を大きくしなくても、光学装置を介して取り出される光の量を多くする光学装置を提供する。【解決手段】光学装置１０は、第１レンズ２１０、第２レンズ２２０、導光部４００、及び光走査部１００を備えている。第１レンズ２１０及び第２レンズ２２０は、同一の光路に位置している。導光部４００は先端に光ファイバを有しており、光路において第１レンズ２１０を挟んで第２レンズ２２０とは反対側に位置している。光走査部１００は、光路において第１レンズ２１０と第２レンズ２２０の間に位置し、光路を通る光を走査する。そして、導光部４００から第１レンズ２１０に入射した光の第１レンズ２１０による集光点は、第１レンズ２１０と第２レンズ２２０の間に位置する。【選択図】図１

Description

本発明は、光を走査する光学装置に関する。

内視鏡装置には、光を走査する光学装置が先端に取り付けられている。例えば特許文献１には共焦点光学装置が記載されている。この共焦点光学装置は、第１のレンズと第２のレンズの間に走査ミラーを配置した構造を有している。そして、第１のレンズと走査ミラーの間には第１の反射面が設けられており、第２のレンズと走査ミラーの間には第２の反射面が設けられている。第１の反射面及び第２の反射面は、一つの三角プリズムの２つの側面である。

特開２０１０−４４２０８号公報

内視鏡装置などの用途においては、光を走査する光学装置を小さくすることが望ましい。一方で、光学装置を小さくすると、光路の幅が狭くなるため、光学装置を介して取り出される光の量が少なくなってしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光学装置を大きくしなくても、取り出される光の量を多くすることができる光学装置を提供することにある。

本発明によれば、光学装置は、第１レンズ、第２レンズ、光ファイバ、及び光走査部を備えている。第１レンズ及び第２レンズは、同一の光路に位置している。導光部は、光路において第１レンズを挟んで第２レンズとは反対側に位置している。光走査部は、光路において第１レンズと第２レンズの間に位置し、光路を通る光を走査する。そして、導光部から第１レンズに入射した光の第１レンズによる集光点Ｆは、第１レンズと第２レンズの間に位置している。

本発明によれば、光学装置を大きくしなくても、取り出される光の量を多くすることができる。

第１の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。光走査部の構成の一例を示す図である。光路における第１レンズ、集光点、及び第２レンズの位置を示す図である。第２の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。第１走査部の構成を示す図である。第３の実施形態に係る内視鏡装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る光学装置１０の構成を示す図である。本実施形態に係る光学装置１０は、第１レンズ２１０、第２レンズ２２０、導光部４００、及び光走査部１００を備えている。第１レンズ２１０及び第２レンズ２２０は、同一の光路に位置している。導光部４００は先端に光ファイバを有しており、光路において第１レンズ２１０を挟んで第２レンズ２２０とは反対側に位置している。光走査部１００は、光路において第１レンズ２１０と第２レンズ２２０の間に位置し、光路を通る光を走査する。そして、導光部４００から第１レンズ２１０に入射した光の第１レンズ２１０による集光点Ｆは、第１レンズ２１０と第２レンズ２２０の間に位置する。なお、導光部４００から光学装置１０に入射する光は、光学装置１０の外部に設けられた光源（例えば半導体レーザ）で生成される。以下、詳細に説明する。

光学装置１０は、光路において第１レンズ２１０と光走査部１００の間に第１反射部３１０を有しており、また、光路において第２レンズ２２０と光走査部１００の間に第２反射部３２０を有している。本図に示す例では、第１反射部３１０及び第２反射部３２０は、いずでも一つの光学部材３００の外面である。光学部材３００は、例えばセラミックス、金属、ガラス、又は樹脂により形成されている。そして第１反射部３１０及び第２反射部３２０は、光学部材３００の外面に金属膜（例えばＡｌ膜）を蒸着法などで形成したものである。第１反射部３１０及び第２反射部３２０は、いずれも平面であるが、向きが互いに異なる。本図に示す例において、光学部材３００は、三角柱である。ただし、光学部材３００の形状はこれに限定されない。

導光部４００から入射された光は、第１レンズ２１０によって集光された後、第１反射部３１０で光走査部１００に向けて反射する。光走査部１００は、可動反射面１１１（図２を用いて後述）を有している。可動反射面１１１は、第１反射部３１０から入射した光を反射する。ここで、可動反射面１１１の角度が変わることにより、光は走査される。

可動反射面１１１で反射された光は、第２反射部３２０によって第２レンズ２２０に向けて反射される。第２レンズ２２０に向かった光は、第２レンズ２２０によって集光された後、観察対象５００に照射される。

一方、観察対象５００で発生した光（例えば蛍光又は反射光）は、第２レンズ２２０で集光された後、第２反射部３２０によって光走査部１００の可動反射面１１１に向けて反射される。その後、光は、可動反射面１１１及び第１反射部３１０のそれぞれで反射された後、第１レンズ２１０によって集光される。集光された光は、導光部４００の光ファイバを介して外部に取り出される。

なお、第２レンズ２２０の径は、第１レンズ２１０の径より大きいことが好ましい。このようにすると、観察対象５００からの光を、より多く導光部４００から取り出すことができる。

また、上記した光路において、観察対象５００で発生した光の第１レンズ２１０による集光点Ｆから第２レンズ２２０までの距離は、この集光点から第１レンズ２１０までの距離よりも小さい。このため、集光点Ｆは、光走査部１００と第１レンズ２１０の間に位置している。

図２は、光走査部１００の構成の一例を示す図である。本図に示す例において光走査部１００は、ｘ方向及びｙ方向のそれぞれに光を走査する。詳細には、光走査部１００は、可動部１１０、可動フレーム１２０、支持軸１３０、第４電極１４０、支持部１５０、及び支持軸１５５を備えている。

可動部１１０は、一面に可動反射面１１１を有している。可動フレーム１２０は、可動部１１０を取り囲んでいる。言い換えると、可動フレーム１２０は開口を有しており、この開口内に可動部１１０が配置されている。可動部１１０は、支持軸１３０を介して可動フレーム１２０の内側面に取り付けられている。支持軸１３０は、可動部１１０の回転軸となっている。本図において、支持軸１３０はｘ方向に延在している。

本図に示す例では、可動部１１０の平面形状は長方形（又は正方形）であり、支持軸１３０は、可動部１１０の４辺のうち互いに対向する２辺のそれぞれに設けられている。そして可動部１１０の残りの２辺は、第１電極１１２となっている。

また、可動フレーム１２０の内側面のうち第１電極１１２と対向する領域は、第２電極１２２となっている。可動部１１０は、第１電極１１２と第２電極１２２の間に電圧を印加することにより、回転する。これにより、可動部１１０による光の反射方向は、支持軸１３０と直交する方向（図中ｙ方向）に走査される。

そして、可動フレーム１２０の外形は矩形（例えば長方形）になっている。可動フレーム１２０の４辺は可動部１１０の４辺と平行になっている。そして可動フレーム１２０の４辺のうち互いに対向する２辺のそれぞれは、支持軸１５５を介して支持部１５０に取り付けられている。可動フレーム１２０は、支持軸１５５を回転軸として回転する。支持軸１５５は、支持軸１３０と交わる方向（本図に示す例では直交する方向）に向いている。本図において、支持軸１５５はｙ方向に延在している。

そして、可動フレーム１２０の４辺のうち支持軸１５５が設けられていない２辺は、いずれも第３電極１２４となっており、それぞれ第４電極１４０に対向している。そして、第３電極１２４と第４電極１４０の間に電圧が印加されると、可動フレーム１２０、支持軸１３０、及び可動部１１０は支持軸１３０を回転軸として回転する。これにより、可動部１１０による光の反射方向は、支持軸１５５と直交する方向（図中ｘ方向）に走査される。

そして、支持軸１５５は、支持軸１３０と交わる方向である。このため、第１電極１１２と第２電極１２２の間の電圧、及び第３電極１２４と第４電極１４０の間の電圧のそれぞれが制御されることによって、可動部１１０による光の反射方向は、ｙ方向及びｘ方向のそれぞれに制御される。なお、これら２つの電圧は、制御部６１２によって制御される。

本図に示す例では、第１電極１１２及び第２電極１２２のそれぞれが櫛歯状になっており、互いに噛み合うようになっている。従って、第１電極１１２と第２電極１２２のうち互いに対向する面の面積が大きくなり、その結果、可動部１１０の駆動力は大きくなる。また、第３電極１２４及び第４電極１４０のそれぞれも櫛歯状になっており、互いに噛み合うようになっている。従って、第３電極１２４と４０のうち互いに対向する面の面積が大きくなり、その結果、可動フレーム１２０、支持軸１３０、及び可動部１１０の駆動力は大きくなる。

可動部１１０、可動フレーム１２０、支持軸１３０、第４電極１４０、支持部１５０、及び支持軸１５５は、同一の板状の導電性の部材（例えばシリコン基板）を選択的にエッチングすることにより形成されている。そして、可動部１１０の可動反射面１１１は、例えば、可動部１１０の一面にＡｌ膜などの金属膜を蒸着することにより、形成されている。

また、可動フレーム１２０には、絶縁体１２１が埋め込まれている。絶縁体１２１は、可動フレーム１２０のうち支持軸１３０（すなわち可動部１１０）に接続する領域と、第３電極１２４に接続する領域とを、電気的に分離している。絶縁体１２１は、例えば、可動フレーム１２０に設けられた溝に絶縁性の樹脂を埋め込むことにより、形成されている。

図３は、光路における第１レンズ２１０、集光点Ｆ、及び第２レンズ２２０の位置を示す図である。光走査部１００を集光点Ｆの近傍に配置する、例えば集光点Ｆと可動反射面１１１の光路上の距離をＬ／１０以下にすると、光走査部１００の可動反射面１１１に入射する光の幅は狭くなる。従って、光走査部１００の可動反射面１１１を大きくしなくて済む。

また、導光部４００の光ファイバの先端から第１レンズ２１０までの距離をＳ、第１レンズ２１０から第２レンズ２２０までの距離をＬ、第２レンズ２２０から観察対象５００までの距離をＴ、第１レンズ２１０から第１レンズ２１０の集光点Ｆまでの距離をＳＬ、集光点Ｆから第２レンズ２２０までの距離をＴＬ、第１レンズ２１０の焦点距離をＦ１、第２レンズ２２０の焦点距離をＦ２とすると、以下の（１）式及び（２）式が成立する。

そして、すなわち集光点Ｆから第２レンズ２２０までの距離が集光点Ｆから第１レンズ２１０までの距離よりも大きいという条件、すなわちＴＬ＞ＳＬに（１）式及び（２）式を当てはめると、以下の（３）式が導き出せる。この（３）式を満たすように第１レンズ２１０、及び第２レンズ２２０の位置を設計すると、ＴＬ＞ＳＬとすることができる。

次に、本実施形態の効果について説明する。本実施形態によれば、導光部４００から第１レンズ２１０に入射した光の第１レンズ２１０による集光点Ｆは、第１レンズ２１０と第２レンズ２２０の間に位置している。このため、第１レンズ２１０と第２レンズ２２０の間において光路の幅を狭くすることができる。従って、導光部４００の光ファイバから外部に取り出すことができる光の量を維持したまま、光学装置１０を小型化することができる。

特に本実施形態では、第１レンズ２１０の集光点Ｆから第２レンズ２２０までの距離ＴＬを、第１レンズ２１０から集光点Ｆまでの距離ＳＬよりも大きくしている。このようにすると、光路の幅が第１レンズ２１０からはみ出ることを抑制できる。したがって、さらに多くの光を導光部４００の光ファイバに入射することができる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る光学装置１０の構成を示す図である。本実施形態に係る光学装置１０は、光走査部１００及び光学部材３００の構成を除いて、第１の実施形態に係る光学装置１０と同様の構成である。

本実施形態において、光走査部１００は、第１走査部１０２及び第２走査部１０４を有している。第１走査部１０２は、光を第１の方向に走査し、第２走査部１０４は光を第２の方向に走査する。

また、光学部材３００は、第１反射部３１０及び第２反射部３２０の他に、第３反射部３３０を備えている。第３反射部３３０は、第１走査部１０２で反射された光を第２走査部１０４に向けて反射する。また第３反射部３３０は、第２走査部１０４で反射された光を第１走査部１０２に向けて反射する。第３反射部３３０も、第１反射部３１０及び第２反射部３２０と同様の方法で形成されている。なお、本図に示す例では、第３反射部３３０は平面になっている。ただし、第３反射部３３０は光路に沿う方向に湾曲した曲面であっても良い。この曲面は、例えば、光走査部１００に向けて凸になっている。

図５は、第１走査部１０２の構成を示す図である。本図に示す第１走査部１０２は、可動フレーム１２０及び支持軸１５５を有しておらず、第１電極１１２が第４電極１４２に対向しており、かつ可動部１１０が支持軸１３０を介して支持部１５０に取り付けられている点を除いて、第１の実施形態に示した光走査部１００と同様の構成である。すなわち第１走査部１０２において、可動部１１０は一つの方向にのみ回転する。

なお、第２走査部１０４の構成は、第１走査部１０２の構成と同様である。ただし、第２走査部１０４の支持軸１３０の向きは、第１走査部１０２の支持軸１３０の向きと異なっており、例えば直交している。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、第１走査部１０２を用いて光を第１の方向に走査し、第２走査部１０４を用いて光を第２の方向に走査している。従って、第１の方向のための制御信号と、第２の方向のための制御信号が互いに干渉することを抑制できる。また、光学装置１０の幅を小さくすることができる。

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態に係る内視鏡装置２０の構成を示す図である。本実施形態に係る内視鏡装置２０は、共焦点光学系の内視鏡装置であり、光学装置１０、光源４２０、ダイクロイックミラー４３０、光ファイバ４４０、光検出部４５０、ＡＤ変換部４６０、及び画像処理部４７０を備えている。光学装置１０は、筐体６００の中に収容されている。筐体６００は、内視鏡装置２０の先端部を構成しており、その先端に第２レンズ２２０を有している。光源４２０は、例えばレーザ光源である。

本実施形態において、光学装置１０は、第１の実施形態又は第２の実施形態と同様の構成を有している。本図に示す例では、光学装置１０は、第２の実施形態と同様の構成を有している。

詳細には、光走査部１００の第１走査部１０２及び第２走査部１０４は、同一の基板１０１を用いて形成されている。本図に示す例では、基板１０１はＳＯＩ（Silicon ON Insulator）基板である。そして第１走査部１０２及び第２走査部１０４は、基板１０１の上側のシリコン層を用いて形成されている。そして、基板１０１は、配線基板６１０上に実装されている。また、配線基板６１０には制御装置６２０も実装されている。制御装置６２０は、制御部６１２を内蔵している。

次に、内視鏡装置２０の動作について説明する。光源４２０が生成した光は、ダイクロイックミラー４３０で反射され、導光部４００の光ファイバに入射する。４００の光ファイバは、入射した光を、第１レンズ２１０を介して光学部材３００の第１反射部３１０に向けて出射する。第１反射部３１０に入射した光は、第１走査部１０２の可動反射面１１１、第３反射部３３０、第２走査部１０４の可動反射面１１１、第２反射部３２０、及び第２レンズ２２０を介して、観察対象５００に向けて出射する。このとき、制御部６１２が第１走査部１０２及び第２走査部１０４を制御することにより、観察対象５００に向けて出射する光の向きが制御される。

観察対象５００には、予め蛍光体の分子が含浸されている。この蛍光体の分子は、レーザ光で励起されることにより蛍光発光する。この蛍光発光した光は、第２レンズ２２０を介して内視鏡装置２０の内部に取り込まれる。内視鏡装置２０の内部に取り込まれた光は、第２反射部３２０、第２走査部１０４、第３反射部３３０、第１走査部１０２、第１反射部３１０、及び第１レンズ２１０を介して導光部４００の光ファイバに入射する。光ファイバに入射した光は、ダイクロイックミラー４３０を透過した後、光検出部４５０によって電気信号に変換される。この電気信号は、ＡＤ変換部４６０によってデジタル信号に変換される。画像処理部４７０は、ＡＤ変換部４６０が生成したデジタル信号に基づいて画像データを生成する。

本実施形態によれば、光学装置１０は、第１又は第２の実施形態のいずれかと同様の構造を有している。このため、観察対象５００で発生した光のうち内視鏡装置２０で取り出せる量を、増やすことができる。

例えば観察対象５００が生体（例えば人体）の細胞である場合、観察対象５００に取り込まれる蛍光体の分子の量は少ない。従って、観察対象５００からの光は微弱になる。このような場合であっても、内視鏡装置２０を用いることにより、観察対象５００からの光の感度を高めることができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。例えば第１又は第２の実施形態に示した光学装置１０は、内視鏡装置２０以外の装置、例えばレーザープロジェクタに使用されても良い。

１０光学装置
１００光走査部
１０１基板
１０２第１走査部
１０４第２走査部
１０６絶縁層
１１０可動部
１１１可動反射面
１１２第１電極
１２０可動フレーム
１２１絶縁体
１２２第２電極
１２４第３電極
１３０支持軸
１４０第４電極
１４２第４電極
１５０支持部
１５５支持軸
２０内視鏡装置
２１０第１レンズ
２２０第２レンズ
３００光学部材
３１０第１反射部
３２０第２反射部
３３０第３反射部
４００導光部
４２０光源
４３０ダイクロイックミラー
４４０光ファイバ
４５０光検出部
４６０ＡＤ変換部
４７０画像処理部
５００観察対象
６００筐体
６１０配線基板
６１２制御部
６２０制御装置

Claims

光路に位置する第１レンズと、
前記光路に位置する第２レンズと、
前記光路において前記第１レンズを挟んで前記第２レンズの反対側に位置する導光部と、
前記光路において前記第１レンズと前記第２レンズの間に位置し、前記光路を通る光を走査する光走査部と、
を備え、
前記導光部から前記第１レンズに入射した光の集光点は、前記光の経路において前記第１レンズと前記第２レンズの間に位置している光学装置。
請求項１に記載の光学装置において、
前記光路において、前記第１レンズの集光点から前記第２レンズまでの距離は、前記第１レンズの集光点から前記第１レンズまでの距離よりも大きい光学装置。
請求項１又は２に記載の光学装置において、
前記第２レンズによる前記光の集光点から前記第２レンズまでの距離をＴ、前記第１レンズから前記導光部までの距離をＳ、前記第１レンズの焦点距離をＦ１、前記第２レンズの焦点距離をＦ２としたとき、以下の（１）式を満たす光学装置。
１／Ｆ_１−１／Ｓ＞１／Ｆ_２−１／Ｔ・・・（１）
請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学装置において、
前記導光部から入射された前記光を前記光走査部に向けて反射する第１反射部と、
前記光走査部によって走査された光を前記第２レンズに向けて反射する第２反射部と、
を備える光学装置。
請求項４に記載の光学装置において、
前記光走査部は、
前記光を第１の方向に走査する第１走査部と、
前記光を前記第１の方向と交わる第２の方向に走査する第２走査部と、
を備え、
さらに、前記第１走査部によって走査された前記光を前記第２走査部に向けて反射する第３反射部を備える光学装置。